Активные геологоразведочные работы (сейсморазведка МОГТ и бурение), начавшиеся на шельфе западного полушария Арктики более 40 лет назад, а восточного – более 30 лет назад, завершились открытием ряда новых крупных нефтегазоносных бассейнов (НГБ) или морских продолжений НГБ, ранее открытых на суше (рис. 1): Бофорта–Маккензи и Свердруп (Канада), Северного склона Аляски (США), Западно-Баренцевского (Норвегия), Восточно-Баренцевского и Южно-Карского (Россия). На российском шельфе обнаружены наиболее крупные месторождения (Штокмановское, Русановское, Ленинградское, Долгинское, Приразломное и др.) с запасами нефти и газа около 10 млрд тонн нефтяного эквивалента. Самое крупное на шельфе Арктики – Штокмановское месторождение содержит свыше 3,9 трлн м3 газа и 56 млн тонн конденсата [1, 3]. Сложные природно-климатические условия и имеющиеся на современном этапе технологические и экономические проблемы его освоения отодвинули начало разработки на неопределенный срок.
Рис. 1. Размещение нефтегазоносных бассейнов и скважин в Арктике
Опыт освоения морских арктических и субарктических месторождений показал, что первоочередные месторождения для организации морских нефтегазовых промыслов в условиях сложной ледовой обстановки рационально выбирать вблизи побережья с широко развитой инфраструктурой. Особый интерес представляют залежи, которые можно разрабатывать горизонтальными скважинами, пробуренными с берега или искусственных островов. Такой подход успешно опробован на ряде опытных полигонов (месторождениях) в арктических и субарктических условиях США (море Бофорта – Endicott и другие 8 месторождений) и России (шельф Охотского моря – Чайво-море, Одопту-море и Карского моря – Юрхаровское) и является наименее опасным для ранимой природы Арктики [2, 3].
Проведенный нами анализ ресурсов, запасов и объемов добычи УВ в циркумарктическом регионе показал, что здесь Россия является мировым лидером по ряду позиций: по началу добычи на суше – с 1969 г. на Мессояхском и с 1972 г. на Медвежьем месторождениях (на 8 и 5 лет раньше, чем на месторождении Prudhoe Bay на Аляске); по объемам накопленной добычи УВ на суше (в 3,5 раза больше, чем на Аляске); по ресурсам и запасам УВ на суше и шельфе (В.И. Богоявленский и др., 2011). В настоящее время морская добыча углеводородного сырья ведется в трех НГБ: Северного склона Аляски (9 месторождений), Западно-Баренцевском (Snohvit) и Южно-Карском (Юрхаровское). За счет разработки Юрхаровского месторождения, основные запасы которого расположены под морским дном (Тазовская губа), с 2005 г. Россия является лидером по объемам добычи УВ на шельфе Арктики, опережая суммарную добычу США и Норвегии (рис. 2).
Рис. 2. Добыча углеводородов на шельфе Арктики
В России в 2010 – 2012 гг. выдан ряд лицензий на большие участки северных акваторий ОАО «НК «Роснефть» (суммарно более 90 тыс. км2 в Баренцевом и Печорском морях и 128 тыс. км2 в Карском море) и ОАО «Газпром» и ОАО «Новатэк» на несколько меньших по площади участков в Обской и Тазовской губах. В 2012 г. ОАО «НК «Роснефть» после приобретения 100% акций ЗАО «Синтезнефтегаз» и 50% акций ЗАО «Арктикшельфнефтегаз» фактически стала контролировать Адмиралтейский, Пахтусовский (11,3 тыс. км2) и Медынско-Варандейский (2,8 тыс. км2) участки. Таким образом, ОАО «НК «Роснефть» предстоит проводить комплексные исследования и освоение 232 тыс. км2 высокоперспективных акваторий Арктики, что почти равно площади Великобритании.
Изучение и освоение минеральных ресурсов арктических акваторий ограничивается распространением льда Северного Ледовитого океана (СЛО). Глобальное потепление на Земле в наибольшей мере влияет на происходящие изменения в Арктике, выражающиеся в значительном сокращении площади льда. Из-за потепления увеличились таяние и сход в море массивов льда с ледников арктических островов Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа и северной части Новой Земли с образованием большего по количеству и индивидуальному объему айсбергов. Под действием течений и ветров айсберги дрейфуют по значительной части Баренцева моря, достигая Штокмановского и других месторождений, при этом характер их движения напоминает «броуновское», т. е. практически не прогнозируемое. 11 октября 2010 г. в районе Русской гавани в Северной части Новой Земли ГС РАН зарегистрировала крупное землетрясение (М около 4). По космическим снимкам оно было идентифицировано как возникшее при ударе о дно отколовшегося айсберга с размерами в плане 0,8х4 км, а в высоту – предположительно около 100 м [4]. При таких размерах айсберг весит около 200 – 250 млн тонн, что в 100 и более раз превышает вес айсбергов, наблюдавшихся в данном регионе, включающем Штокмановское месторождение.
Существенная часть шельфа Арктики России и других стран так же, как и ее суша, характеризуется наличием многолетнемерзлых (палеомерзлых) пород (ММП), о которых упоминается в работах многих полярных исследователей в течение нескольких столетий. Зоны распространения ММП и их мощность на шельфе Арктики наиболее хорошо изучены в районах нефтегазопоисковых исследований. Бурение показало широкий диапазон изменения мощности морских ММП: от единиц до сотен метров, при этом, по данным GSC (Геологическая служба Канады), на ряде площадей НГБ Бофорта–Маккензи она достигает 600 – 737 м. Можно предположить, что большая мощность ММП будет выявлена и в восточных морях российской Арктики. В 1963 г. на севере Якутии около Полярного круга была пробурена Мархинская скважина (забой – 1800 м), вскрывшая ММП на рекордной глубине до 1400 м [5].
Одной из особенностей ММП, расположенных на побережьях морей Арктики и часто представленных крупными массивами льда, является их значительное разрушение под действием теплового и водного (волнового) воздействия (термоабразия и термоэрозия). За счет этого наблюдается высокая среднегодовая скорость отступления береговой черты, достигающая в Карском море 2,9 м, в море Лаптевых – 5,5 м, в Восточно-Сибирском – 6,1 м, в море Бофорта – 7,3 м, а на острове Колгуев – до 10 м [6, 7]. Таким образом, площадь СЛО постоянно увеличивается, изменяя очертания берегов, угрожая разрушением береговым объектам и судоходству в прибрежной полосе за счет возникновения ранее неизвестных мелей.
Одной из опасностей освоения морских нефтегазовых ресурсов является сейсмическая обстановка, которая в Арктике характеризуется неравномерным, очаговым распределением эпицентров сейсмических событий (землетрясений), приуроченных к районам тектонической активности, что видно на рис. 3, подготовленном нами на основе данных USGS (Геологическая служба США) и ГС РАН (Геофизическая служба РАН). В СЛО продолжается система срединно-атлантических разломов (сейсмоактивная зона спрединга океанического дна), выраженная хребтами Мона, Книповича и Гаккеля. Последний заходит в море Лаптевых, где он наименее выражен в морфологическом плане и практически не отображается в гравитационном и магнитном полях. Эта же зона характеризуется снижением магнитуд землетрясений и их рассеиванием на достаточно обширной территории лаптевоморского побережья, включая дельту реки Лена (рис. 3).
Рис. 3. Землетрясения и геоморфологическая обстановка в Арктике
Российские акватории Западной Арктики (Карское и Баренцево моря) в целом характеризуются относительно спокойной сейсмичностью. Наибольшая активность приурочена к западной (норвежской) части Баренцева моря с максимальной концентрацией землетрясений в районе архипелага Шпицберген. Последние годы характеризуются увеличением сейсмической активности в непосредственной близи от Шпицбергена. Так, по данным ГС РАН, в 2008 г. здесь зарегистрировано 576 землетрясений с магнитудой более 2, а 21 февраля произошло рекордное по силе землетрясение в проливе Стур-фьорд магнитудой около 6, за которым последовала длительная серия афтершоков, включая 19 с магнитудой более 3 [4].
ГС РАН обладает обширной сетью сейсмологических станций на территории России, однако они расположены крайне неравномерно – наименьшая плотность в арктических регионах. Имеющаяся сеть станций ГС РАН может надежно идентифицировать в Баренцево-Карском регионе землетрясения магнитудой свыше 3,5 – 3,9, что неприемлемо для обеспечения мониторинга сейсмической обстановки. За счет этого создается ошибочное впечатление об асейсмичности данного региона и большей части СЛО, что видно на рис. 3. Таким же асейсмичным длительное время казался и шельф Балтийского моря с прилегающей Калининградской областью. Однако 21.09.2004 на Самбийском полуострове произошли землетрясения, включая два крупных с магнитудой 4 и 5 (ранее никогда не наблюдались), в результате которых были повреждены ряд зданий и железнодорожное полотно.
Повышение безопасности освоения морских месторождений Арктики требует усиления контроля сейсмической обстановки и выяснения природы землетрясений не только значительной, но и малой магнитуды, широко распространенных в Арктике. На сайте норвежской сейсмической службы NORSAR (Norwegian Seismic Array) размещена информация об огромном количестве слабых землетрясений (магнитуда до 3) в Арктическом регионе, включая акватории Баренцева и Карского морей (рис.4), произошедших в последние годы и зарегистрированных прибрежными сейсмологическими станциями Норвегии на севере Скандинавского полуострова и Шпицбергене. Координаты землетрясений приведены NORSAR с загрублением, что отображается на положении их эпицентров на карте рис. 4.
Рис. 4. Размещение землетрясений малой магнитуды в Баренцево-Карском регионе (NORSAR)
Известны случаи обнаружения затонувших судов, лежащих на дне покмарок. В частности BGS (Британская геологическая служба) обнаружила в Северном море на площади South Fladen в одной из крупных покмарок, названной Witch’s Hole (Отверстие ведьмы), затонувший траулер начала ХХ века. Одним из основных объяснений гибели судна является то, что оно затонуло в результате газирования воды (изменения ее плотности) при дегазации или разовом выходе (выхлопе) газа из покмарки. Возможно и противоположное объяснение – выхлоп газа и образование покмарки произошли под действием удара тонущего судна о дно. По теории вероятностей оказаться свидетелем крупного природного выхлопа газа – большая редкость и удача, если событие не завершится трагедией, как это было с японским исследовательским судном Kaiyo-Maru №5 (Hydrographic Department of the Japanese Maritime Safety Agency), затонувшем при выбросе газа из подводного вулкана в 1953 г. (погиб весь экипаж – 31 человек).
Неглубокие землетрясения могут быть вызваны рядом других причин, включая смещения донных отложений (оползни), особенно вблизи побережья Кольского полуострова и Новой Земли. В Норвежском море, недалеко от полярного круга, известен один из крупнейших в мире оползень Сторегга (Storegga Slide), вызвавший цунами [9]. Возможно, образованию оползня способствовали неглубокие залежи свободного газа или газогидрата, сформировавшиеся из-за субвертикальной миграции газа из крупного глубоководного месторождения Ormen Lange.
Высокой сейсмической активностью характеризуется Аляска, особенно ее южная часть, где в 2002 г. произошло мощное землетрясение в районе разлома Денали (магнитуда 7,9), являвшегося сейсмически пассивным за все время наблюдений (свыше 100 лет). Правильное проектирование Транс-Аляскинского нефтепровода (построен в 1977 г.), расположенного на суше и имеющего трехмерную демпферную систему защиты от землетрясений, позволило избежать возможной крупной экологической катастрофы.
Общепризнанным является то, что геологическое строение и нефтегазоносность российского шельфа Арктики недостаточно изучены сейсморазведкой и бурением. Открытия ряда институтов РАН и других российских и зарубежных организаций, сделанные в последние 10 – 15 лет на акваториях России и Мирового океана (особенно Арктики), показали недостаточную изученность не только глубоких отложений, но и строения дна и процессов, происходящих в ВЧР (верхняя часть разреза в несколько сот метров). Ярким свидетельством служит открытие в центральной части Баренцева моря ударного кратера Mjolnir диаметром около 40 км, образовавшегося в результате падения крупного метеорита диаметром около 1,5 – 2,5 км в юрское время (около 140 млн лет назад). На большей части российского шельфа Арктики существуют термобарические условия для образования газогидратов (включая район Штокмановского месторождения). Однако до сих пор они не были выявлены, что не подтверждает их отсутствие, а свидетельствует о недостатках поисковых работ, если можно говорить, что они целенаправленно проводились.
Наличие свободных газов и газогидратов дистанционно прогнозируется по данным сейсморазведки наличием ярких пятен и сильного отражающего горизонта BSR (Bottom Simulating Reflector), соответствующего подошве газовых гидратов. Однако геологическое строение реальной среды гораздо сложнее и неоднозначнее, чем кажется. Бурение ряда скважин показало, что присутствие на временных разрезах BSR не является однозначным подтверждением наличия газогидратов и наоборот: газогидраты выявлялись в зонах, где BSR был не виден. Кроме того, часто выявление и прослеживание на временных разрезах BSR затруднено и неоднозначно.
В работе [10] приведен временной разрез ВЧР в районе Штокмановского месторождения с выделенной локальной аномалией типа «яркое пятно» (рис. 5, зона I) в меловых отложениях на глубине около 600 м (680 мс), «предположительно связанной с залежами газогидратов». По нашему мнению, это не газогидраты, а плоский отражающий горизонт, обусловленный контактом «свободный газ – вода» (ГВК). Дополнительным подтверждением служит то, что нижележащие сейсмические горизонты отображаются на временном разрезе изгибом осей синфазности вниз, что вызвано снижением скорости распространения упругих волн, проходящих через залежь свободного газа (залежи твердого газогидрата характеризуются повышением скорости). Кроме того, мы отметим, что выше описанного объекта I вблизи дна (рис. 5, зона II) в криолитозоне наблюдается субгоризонтальная ось синфазности (время 470 мс), возможно, являющаяся BSR или очередным ГВК, о чем свидетельствует локальное ослабление энергии отраженных волн на времени 530 мс. Существование газогидратов на дне и в донных отложениях доказано для норвежской части Баренцева моря и многих других акваторий мира.
Рис. 5. Фрагмент высокочастотного временного разреза в районе Штокмановского месторождения
Рис. 6. Временной разрез НСП в районе ММП в Печорском море [10, 11]
На рис. 7 приведено объемное изображение участка дна с координатами его центра 74.90 СШ и 27,50 ВД, расположенного в норвежской части Баренцева моря, построенное нами по высокоточной батиметрической карте [9]. Здесь наиболее крупные депрессии (впадины) достигают 700 – 1000 м в диаметре и 30 м в глубину. По нашему мнению, образование покмарок таких размеров наиболее вероятно за счет проседания донных отложений в процессах разложения газогидратов или оттаивания придонных массивов палеольда и гидролакколитов – pingo remnant (останец пинго в виде депрессии).
Рис. 7. Покмарки в центральной части Баренцева моря
Рядом российских и международных экспедиций на шельфе Арктики доказана широкомасштабная эмиссия газа преимущественно метанового состава, особенно сильно происходящая в морях Восточной Арктики. Так называемые газовые факелы – потоки газа в водной толще, выходящего из донных отложений, часто наблюдаются при высокоразрешающей сейсморазведке и на эхограммах [14]. Активизации газовых факелов способствует деградация ММП, являющихся хорошей покрышкой углеводородов, и землетрясения.
Наличие газогидратов в Мексиканском заливе значительно осложнило работы по ликвидации катастрофы на глубоководном (1522 м) месторождении Macondo, произошедшем 20 мая 2010 г. при бурении скважины с платформы Deepwater Horizon (оператор – BP). По похожему с Macondo сценарию развивалась авария на газоконденсатном месторождении Elgin в английском секторе Северного моря, произошедшая на 25 марта 2012 г., но благополучно ликвидированная в мае 2012 г.
Большая часть залежей УВ на шельфе Арктики расположена в зоне АВПД [2]. Наличие АВПД многократно приводило к серьезным аварийным и катастрофическим ситуациям в различных регионах мира на море и суше (Dos Cuadras – в Калифорнии, German Bight и Ekofisk Bravo В-14 – в Северном море, Macondo и др.) и в СССР (Лунинская-1 – в Баренцевом море, скважины Тазовские 1 и 52, Пурпейская-101, Бованенковская-67, Кумжинская-9, Тенгиз-37 и др.). Из-за возможности возникновения аварийных ситуаций под действием АВПД были снижены объемы бурения на высокоперспективные триасовые и более глубокие отложения в Баренцевом море. Это однозначно свидетельствует, что разработка арктических месторождений требует применения самых новых технологий, не уменьшающих, а практически исключающих риск возникновения аварий.
Разработка месторождений УВ и других минеральных ресурсов часто сопровождается техногенными деформациями в осадочных породах, следствием которых являются проседания дна и землетрясения с возможными серьезными локальными экологическими последствиями. Такие негативные процессы длительное время наблюдаются на ряде сухопутных и морских месторождений (Wilmington, Ekofisk, Valhall и др.). Норвежское месторождение Ekofisk было открыто в Северном море в 1969 г., а его разработка началась в 1972 г. В ходе разработки было отмечено проседание дна до 9,5 м в 2010 г., что привело к необходимости вложения многих сотен миллионов долларов на реконструкцию промысла. Такой же эффект возможен и на арктических месторождениях России, включая Штокмановское, к чему необходимо готовиться заранее. При таких деформациях происходят смятия и разрушения стволов скважин, вследствие чего могут образоваться опасные техногенные залежи нефти и газа в пластах-резервуарах, расположенных выше разрабатываемой залежи, а также выбросы УВ (сипы) в водную толщу с тяжелыми последствиями для экосистемы на локальном и региональном уровнях.
В дополнение к природным и природно-техногенным проблемам освоения ресурсов УВ российского шельфа Арктики существуют серьезные опасности антропогенного характера. Например, многочисленные захоронения радиоактивных отходов в западной части Карского моря и другие, рассмотренные в работах [3, 8, 15, 16].
В заключение отметим, что исследования в указанных выше направлениях крайне важны не только для развития фундаментальных знаний о процессах современного накопления осадков, термокарстовых и других процессов их переформирования, но и для организации экологически безопасного функционирования морских нефтегазовых промыслов и их инфраструктуры на море и прилегающей суше. Кроме того, эпизодическая или перманентная дегазация донных отложений представляет большую опасность для мореплавания, так как при этом нарушается плотность воды, что может привести к гибели судов. Поэтому необходимо усилить геолого-геофизические исследования на акваториях Арктики с картированием объектов различной природы, представляющих опасность для размещения нефтегазовых промыслов и их инфраструктуры (залежи свободных газов и газогидратов в донных отложениях, распространение палео- и современной мерзлоты, пинго и др.).
По заказам компаний нефтегазового профиля научно-исследовательские суда РАН выполняют значительный объем морских геолого-геофизических и экологических исследований в акваториях России и Мировом океане, включая мониторинг разработки месторождений нефти и газа. РАН имеет колоссальный накопленный опыт, который из-за недостаточного финансирования не реализуется в полной мере. При весьма скромном увеличении финансирования возможно проведение уникальных научных исследований, независимой экспертизы проектов освоения минерально-сырьевых ресурсов, мониторинга сейсмической, экологической и другой обстановки в Арктике и Мировом океане, поднимающих престиж, благосостояние и безопасность России.
